Modbus——基于libmodbus开发

Modbus是常用的串行总线协议，可以在232、422、485和以太网上传输。

用户可以参考GB/T 19582系列国标，Modbus国际标准的中文版。

本文面对modbus进阶用户，文中代码为实际工程代码的改写，相关基础知识参看国标。

工具：

ModbusTool：ClassicDIY/ModbusTool 这个工具分两个，开源，分master和slave，基本可以完成全部modbus应用开发。我这次就用此工具完成。

mdbus：Mdbus for Windows 这个工具早年间一直使用。现在收费，好处就是hold regs和input regs可以放在一起，调试起来不用分FC 3和4的区别。

串口调试助手：windows store里面可以获取，基本够用。

ModbusPoll及ModbusSlave也是国内用的很多的，里面支持PLC模式，也就是5位地址位。

库：这次使用LibModbus： libmodbus 这个库在linux中基本都有，树莓派也内置了。

开发环境： 本系列文都是基于树莓派的modbus开发。

注：Modbus 协议栈自己可以完成，3000行左右（看需要的功能和FC数量）。从站开发和测试一天。

硬件环境：2个UT-890 usb-485，相关例程使用树莓派uart测试通过。

库介绍

libmodbus是一个可以运行在Linux、MacOs X、FreeBSD、QNX和Win的Modbus库。树莓派的Pi OS也支持，安装如下：

sudo apt update
sudo apt install libmodbus-dev

2.主站开发

下列代码为modbus 主站读取从站1的输入寄存器代码。

#include <stdio.h>
#include <modbus.h>
/*
* 功能：本函数完成modbus主站，读取input regs
*/
int modbusRTUMaste1(){
     modbus_t* ctx; 
     int slaveAddr=1;
     //建立modbus buf
     uint8_t dest[1024]; //setup memory for data
     uint16_t * dest16 = (uint16_t *) dest;
     memset(dest, 0, 1024);
     //初始化Modbus实例
     ctx = modbus_new_rtu("/dev/uart1", 9600, 'N', 8, 1);// 使用9600-N-8，1个停止位
     if (modbus_connect(ctx) == -1) {
         fprintf(stderr, "Connexion failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
         modbus_free(ctx);
         return -1;
     }

     modbus_set_slave(ctx, slaveAddr);//设置从站地址，当前为1
     modbus_set_response_timeout(ctx, 1, 0);//设置响应时间
     /*
      * modbus_read_bits  读线圈  fc=1
      * modbus_read_input_bits 读输入线圈 fc=2
      * modbus_read_registers 读取保持寄存器 fc=3
      * modbus_read_input_registers 读输入寄存器 fc=4
      * modbus_write_bit 写一位数据（强置单线圈） fc=5
      * modbus_write_register 写单寄存器（预置单寄存器） fc=6
      * modbus_write_bits 写多位数据（强置多线圈） fc=15
      * modbus_write_and_read_registers 读/写多个寄存器 fc=23
     */
     int regs = modbus_read_input_registers(ctx/*libmodbus实例*/, 
                                            0/*输入地址*/, 
                                            8/*读取输入寄存器个数*/, 
                                            dest16 /*获取从站值*/);
     modbus_close(ctx);
     modbus_free(ctx);//关闭 清理 modbus ctx
     return 0;
}

测试中input regs是只读，hold regs是可读写。

还有一个是dest类型，线圈用uint8t *，寄存器用uint16_t *。

下例为Modbus TCP 主站代码

#include <stdio.h>
#include <modbus.h>
int ModbusTCPMaster1(void) {
  modbus_t *ctx;
  uint16_t tab_reg[32];

  ctx = modbus_new_tcp("127.0.0.1", 1502);
  modbus_connect(ctx );

  /* Read 16 registers from the address 16 */
  modbus_read_registers(ctx, 16, 16, tab_reg);

  modbus_close(ctx);
  modbus_free(ctx);
  return 0;
}

3.从站开发

下例是从站代码 libmodbus从站代码比较简单。用户需要控制htsmb_mapping 中的值，主站如果读，，

/*
* 功能：本函数完成modbus从站
*/
int modbusRTUSlave(){
     modbus_t* ctx; 
     int slaveAddr=13;
     uint8_t querySlave[MODBUS_RTU_MAX_ADU_LENGTH];//接收数组
     /*libmodbus 从站使用modbus_mapping结构来处理需要主站读取的参数，包括4个参数 
      * 如果不需要提供相关存储，设置为0，主站就不可以访问。
     */
     modbus_mapping_t* htsmb_mapping = modbus_mapping_new(
            MODBUS_MAX_READ_BITS,
            MODBUS_MAX_WRITE_BITS,
            MODBUS_MAX_READ_REGISTERS, 
            MODBUS_MAX_WRITE_REGISTERS
        );
     //初始化hold regs
     htsmb_mapping[_port]->tab_registers[0] = 1;
     htsmb_mapping[_port]->tab_registers[1] = 2;
     htsmb_mapping[_port]->tab_registers[2] = 3;
     htsmb_mapping[_port]->tab_registers[3] = 4;
     //初始化input regs
     htsmb_mapping[_port]->tab_input_registers[3] = 11;
     //初始化Modbus实例
     ctx = modbus_new_rtu("/dev/uart1", 9600, 'N', 8, 1);// 使用9600-N-8，1个停止位
     if (modbus_connect(ctx) == -1) {
            fprintf(stderr, "Connexion failed: %s\n", modbus_strerror(errno));
            modbus_free(ctx);
            return FALSE;
     }
     modbus_set_slave(ctx, slaveAddr);//设置从站地址，当前为13
     
     int rc = modbus_receive(ctx, querySlave);//querySlave 保存收到的数据包 主站发送过来的
     modbus_reply(ctx, querySlave, rc, htsmb_mapping);//处理数据包，对htsmb_mapping 进行读写操作
     modbus_free(ctx);//关闭 modbus ctx
     return 0;
}

4.优化：

如何压榨主站时延

modbus 主站发送一般使用两种方式，一种是周期轮询，比如5秒一次，这时候轮询会存在一段时间进程在sleep。还有一种就是最快速度轮询，这里面只要从站响应了，主站就开始新的访问。如果响应时间过长，实际造成系统时延增长。一般建议设置为1秒，我们遇到过最长的从站系统响应可以到14秒，这种情况下，一个串口接一个设备最好。用户可以使用modbus_set_response_timeout设置响应时间，第二参数就是秒值。

如何提高从站响应时间

modbus从站响应时间受制于逻辑结构，在libmodbus中，用户可以在htsmb_mapping进行计算，也可以在modbus_receive后用memcpy更新htsmb_mapping。

5.应用场景——2000个数据如何获取

主站获取从站2000个数据一般应用很少，我们遇到过是800个，Modbus每一帧传输大小在124个int16，参看libmodbus各个参数定义。解决方法就是多帧访问，比如说每次访问100个，依次遍历20次就把2000个数据都读取了。

6.应用场景——多从站访问

多从站访问，一般基于多个传感器组，一个组20-100个点，一次十组，实际也可以到200-2000个点的访问，主站需要对从站遍历，用户需要对设备响应时间配置，现场需要按秒表测试以下。

7.应用场景——Modbus 在如果在优化系统中使用

用户可以通过modbus获取就地端数据，并利用历史数据和现场数据，利用算法对控制系统进行优化。

8.应用场景——如果DCS和PLC

在一般场景中，DCS之间、PLC之间、DCS与PLC之间通过modbus进行通信已经成为常态，这里面最主要就是各类信息点的传输，对于这些点，实时性要求会低很多，在组网的时候，一定需要弄清楚各个系统对modbus支持情况，或者需要增加什么设备。比如早期有些DCS系统不支持从站，那么对联的系统需要确认是否支持主站。

在比如双方都支持主站，没有从站，做过一个解决方案，就是用modbus模拟器对接两个主站系统，有些模拟器中的内存空间是复用的，两个系统一个读一个写，也可以把数据进行传递。这时候只需要考虑模拟器稳定性就可以了。

当前DCS/PLC互联中，更多的是modbus tcp，这种方案反而更容易进行对接。这里不做累述。

问题中有单线多主站的问题，在modbus rtu中，每个数据发出的时间是可以计算的，多主站存在的串口竞争问题，谁先发谁后发谁管理。实验中，有时候每个从站都正常，有时候就存在大量丢包，工程中，就是一个线路一个主站，还有一种就是双串口冗余，双线一主，保证系统的稳定性，这时候串口也是一个工作一个等待。

Modbus——基于libmodbus开发

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